基于摩擦起电效应的机电换能结构及应用研究

摘要

在信息智能化高速发展的今天，“物联网”(Internet of Things, IoT)已经遍布生活的每一个角落，物联网的发展水平很大程度上取决于传感以及电源供给技术的发展，其中所涉及的共性技术便是换能技术。传统的换能技术包括电磁换能、压电换能、驻极体换能以及介电弹性体换能等，然而随着物联网的快速发展，一些应用场景对传感器性能及其能量供给提出了新需求，比如柔性传感、柔性存储及小型化、轻质器件和系统等，因此，需要在换能技术上进行更深入的研究以适应社会发展带来的新需求。基于摩擦起电效应的新型机电换能技术，具有材料选择范围广、结构灵活以及环保等诸多优势，是传感和能量采集的有效方式之一。因此，本学位论文致力于研究多种基于摩擦起电效应的机电换能结构，用于柔性机械力传感和机械能量采集，并展示其在人体健康监测、人机交互以及环境监测等领域的潜在应用价值。论文的具体工作和主要研究内容如下：　　①研究了基于摩擦起电效应的织物压力传感器。该传感器采用芯-鞘型结构，传感器的内芯和外鞘分别采用导电性能良好的导电纱线和硅橡胶管。利用硅橡胶管良好的弹性特性，传感器可以实现对应力刺激的快速响应，并在满足柔性传感的同时具备良好的宽频响应特性。通过封装可以保证产生在硅橡胶管内的摩擦电荷不受外部湿度影响。结合弹性力学理论和摩擦起电机电换能理论，推导了织物压力传感器的力-电转换关系。传感特性测试实验表明，该传感器的灵敏度达到10.79mV/Pa，频率响应范围为0.1~40Hz，传感器在20000次循环测试实验中保持稳定输出，同时兼具防水性与可水洗性。织物压力传感器可以在无需复杂编织工艺的前提下以任意形式直接缝制在传统布料上，将传感器编织到尺寸为1.5m×2.0m的普通家用床单中，研制了无约束睡眠监测系统，对睡眠姿势、体动以及微弱生理信号(包括呼吸和心跳)进行测试与分析，可对睡眠过程中突发疾病(如长时间呼吸暂停、心跳骤停等)进行监测和及时干预，为睡眠健康监测提供了解决方案。　　②研究了球冠式阵列微结构压力传感器。该传感器由表面具有球冠式阵列微结构的UV胶和附有石墨烯电极的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层叠而成。球冠式阵列微结构不仅可以提高摩擦材料间的有效接触面积，同时还能提高传感器的压力响应范围，以满足较大静态压力下的微弱动态信号传感。结合弹性力学和摩擦起电机电换能理论对传感器的力-电转换关系进行了理论推导。传感特性测试实验表明，该传感器的灵敏度达到9.63mV/Pa，频率响应为0.1~30Hz同时具备良好的稳定性。基于该传感器研制了坐垫式微弱生理压力信号监测系统，可以准确的捕捉到人体在坐姿状态下呼吸和心冲击响应信号，并对不同受试者进行心率变异性的辅助诊断实验，实验结果与医院诊断结果相吻合，为非皮肤接触式健康监测提供了解决方案。　　③研究了基于摩擦起电效应的可拉伸传感器。该传感器采用螺旋芯-鞘型结构，内芯由导电纱线以螺旋方式缠绕在橡胶线上构成，外鞘由PDMS构成。包覆在橡胶线上的螺旋导电纱线结构可以保证传感器即使在大应变条件下电极也不会受损，同时良好的弹性回复力可以有效缩短传感器的响应时间。结合弹性力学与摩擦起电机电换能理论分析了拉伸应变与输出电压的关系。通过实验系统地研究了传感器的传感特性，该传感器在0%~100%的拉伸范围内，拉伸应变与输出电压保持良好的线性度，灵敏度可达2.47V，响应时间<15ms，同时具有良好的频率响应以及稳定性。在可拉伸传感器的基础上，研制了可穿戴手语手势识别系统，该系统结合机器学习算法，对采集到的660组手语手势数据进行分类识别，系统的识别准确率达到98.63%，平均识别时间<1s。手语手势识别可以以文字和语音的方式同时输出，提高了手语手势识别系统的实用性。　　④采用可回收牛奶盒作为原材料，研究了弧形流体能量采集器。该采能器由弧形弹性梁起振结构和内置有可回收牛奶盒作为摩擦材料的L型摩擦起电机电换能器件构成。可回收牛奶盒由聚乙烯(PE)、铝箔(Al)和纸浆按照顺序依次层压而成，集成在一起的PE摩擦层和Al电极层省去了摩擦材料背部电极的制备工艺，只需对PE层表面进行处理便可作为摩擦材料使用。结合涡激振动原理和摩擦起电机电换能理论分析了采能器从流体能量到电能的转换机理。研究了不同结构参数弧形流体能量采集器的电学输出特性，并优化了采能器结构。实验测试结果表明，弧形流体能量采集器的最大开路电压和短路电流分别可以达到600V的40μA，同时具有良好的稳定性，在15m/s的风速下连续工作3h后依然可以保持稳定的电压输出。利用流体能量采集器阵列分别在实验室风场环境和野外水流环境中进行风能和流体能的采集，可以用于环境监测物联网节点的能源供给。

目录

1 绪 论

1.1研究工作的背景与意义

1.2机电换能方式及传感、能量采集技术

1.3基于摩擦起电效应的机电换能器件研究现状

1.4本论文主要研究内容

2 基于摩擦起电效应的机电换能理论

2.1引言

2.2摩擦起电效应的物理机制

2.3摩擦起电材料

2.4基于摩擦起电效应的机电换能原理

2.5本章小结

3 织物压力传感器及睡姿和生理信号监测应用

3.1引言

3.2织物压力传感器的结构与制备

3.3织物压力传感器的工作原理

3.4织物压力传感器的输出性能测试

3.5基于织物压力传感阵列的无约束睡眠监测系统

3.6本章小结

4 球冠式阵列微结构压力传感器及坐垫式生理信号监测应用

4.1引言

4.2球冠式阵列微结构压力传感器的结构与制备

4.3球冠式阵列微结构压力传感器的工作原理

4.4球冠式阵列微结构压力传感器的性能测试及分析

4.5基于球冠式阵列微结构传感器的坐垫式生理信号监测系统

4.6本章小结

5 可拉伸传感器及手语手势识别应用

5.1引言

5.2可拉伸传感器的结构与制备

5.3可拉伸传感器的工作原理

5.4可拉伸传感器的输出性能测试

5.5基于可拉伸传感器的可穿戴手语手势识别系统

5.6本章小结

6 弧形流体能量采集器

6.1引言

6.2弧形流体能量采集器的结构与制备

6.3弧形流体能量采集器的工作原理

6.4弧形流体能量采集器的输出性能测试

6.5弧形流体能量采集器的应用示例

6.6本章小结

7 结 论

7.1本论文主要结论

7.2论文创新点

7.3后续工作及展望

参考文献

附录

A 攻读博士学位期间发表的相关论文

B 攻读博士学位期间参与的相关课题

C 攻读博士学位期间参加的学术会议

D 学位论文数据集

致谢